《連線》撰文揭秘了當(dāng)下的未來電池之爭。未來將會是電池供能的時代，新一代電池的競爭日益激烈，角逐者不乏頗為新奇的概念，比如液態(tài)電池、熔態(tài)金屬電池和鹽水電池。
以下是文章主要內(nèi)容：
電池可能是迄今為止最沒吸引力的一項技術(shù)。這一點在麻省理工學(xué)院材料科學(xué)系里尤其明顯，里面有個專用于打造和測試下一個變革性儲能設(shè)備的實驗室，會很容易被人誤認(rèn)為只是個貯藏室。
在那個狹窄的實驗室里，頭發(fā)銀灰的電化學(xué)家唐納德·薩多維（Donald Sadoway）在翻找塑料元件，看起來像是小孩子尋找特定的樂高積木。他將兩個物體放在桌子上，它們的大小和形狀與罐頭相仿，看起來就像是書鎮(zhèn)。
難怪電池很難提起人們的興致。但這些書鎮(zhèn)——是電池啦——卻有可能會是徹底改變我們的能源系統(tǒng)的那項技術(shù)。
電池不只是讓人覺得沒勁。老實說，它們還很差勁。說好聽點，助力我們?nèi)粘Ｉ畹碾姵囟际请[形英雄——它們被整合到智能手機、電腦、汽車等重要物品。說不好聽點，它們價格高昂，笨重，易燃，難以正當(dāng)處理，在寒冷環(huán)境中容易失靈，也容易滲出腐蝕性流體。正當(dāng)從它們獲得能量的設(shè)備變得越來越輕薄，越來越智能，電池卻還是在苦苦等待下一次升級換代。眾所周知，計算機處理器的性能每兩年就能翻一倍；而電池可能每兩年只能提升那么幾個百分點。
薩多維研制的電池的早期原型
然而，未來將會是電池供能的時代。這勢在必行。從電動汽車到工業(yè)級太陽能電廠，電池都將是更清潔的、更高效的能源系統(tǒng)的關(guān)鍵所在——我們越快實現(xiàn)這一點，我們就越快能夠不再加劇氣候變化。
不過，我們現(xiàn)在的電池——大多是鋰離子電池——還不夠好。該領(lǐng)域取得了一些進展：儲能成本過去5年已經(jīng)下降了一半，越來越多的大公司在大力投資該項技術(shù)，比如特斯拉建造Gigafactory超級電池工廠。但從大范圍經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的角度來看，鋰離子電池還是太過昂貴。它們在我們的日常設(shè)備中相當(dāng)強大，但一旦擴大它們的使用規(guī)模，它們就容易出現(xiàn)過熱，甚至爆炸事故。
也許，鋰離子電池最大的問題在于它們會慢慢出現(xiàn)磨損。想想看，你的手機電池經(jīng)過好幾年不斷從消耗到1%再充電回100%，會變成什么樣。這種深度放電和充電的過程會對電池造成損害，會日漸損害電池的性能。
因此，我們早就該迎來全新的電池，全球各地的研究人員正在爭相幫助我們實現(xiàn)這一點，各種技術(shù)都在力爭脫穎而出。當(dāng)中有的構(gòu)想非常新奇——還不算有吸引力，但絕對是令人驚奇。比如，液態(tài)電池，運行溫度堪比汽車引擎的熔態(tài)金屬電池，以鹽水作為原料的電池。
這是全新的競爭格局的一部分。
電池為何重要
好的電池需要符合幾點要求，但有兩點是必不可少的：可靠性和便宜。
美國能源部負(fù)責(zé)鑒定和資助前沿研發(fā)項目的先進能源研究計劃署（ARPA-E）技術(shù)副署長埃里克·羅爾芬（Eric Rohlfing）指出，“電池最大的問題還是成本。”《自然》（Nature）雜志2012年的一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，為了確保美國的整個電力供應(yīng)都基于可再生能源，美國人平均每個月只愿意多花大約13美元。因此，電池不能大幅增加人們的電費支出。
對于公用事業(yè)部門來說，那意味著所提供的輸電網(wǎng)級儲能系統(tǒng)每千瓦時的成本不能超過100美元。自2009年美國總統(tǒng)創(chuàng)立以來，ARPA-E已經(jīng)共計投入了8500萬美元來開發(fā)能夠達(dá)到那一目標(biāo)的新型電池。
羅爾芬說，“人們說我瘋了。”根據(jù)《自然》刊登的一項電動汽車電池研究，對于一個自誕生以來還沒有接近過700美元每千瓦時成本的行業(yè)來說，那個目標(biāo)數(shù)字簡直低得荒謬。羅爾芬說，現(xiàn)在，盡管還無法實現(xiàn)，但每千瓦時100美元是整個行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)。要是能夠做到低于這一數(shù)字，那你就不僅僅有很強的競爭力——你還能夠贏得一切。
也就是說，能贏得市場的好電池是這樣的：更加清潔的、更加可靠的能源系統(tǒng)，不依賴于化石燃料，啟動更強勁。
每一次你波動照明開關(guān)，你就接入了一個龐大的隱形網(wǎng)絡(luò)：輸電網(wǎng)絡(luò)。在某處，在為你家輸送電力的高壓輸電線路的另一端，發(fā)電廠（可能是燃燒煤，有或者是使用日益普及的天然氣）產(chǎn)生電力來替代你和其他人的人剛剛用完的電力。
我們的電網(wǎng)電量任何時候都需要小心維護——不管是電量太多還是電量太少，都會引發(fā)問題。電網(wǎng)操作員需要進行細(xì)心謹(jǐn)慎的觀察和預(yù)測，以便決定發(fā)電廠每小時乃至每分鐘應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生多少電量。但有時候他們會出錯，這就需要發(fā)電廠及時作出調(diào)整來彌補電量差額。
對于我們來說幸運的是，電網(wǎng)是一個龐大的互連系統(tǒng)，因此我們很少能夠注意到電力在質(zhì)量或者數(shù)量上的變化。不妨想象一下踏進水桶和踏進海洋之間的差別吧。在一個小型的系統(tǒng)中，供給和需求之間的平衡變化都顯而易見——水桶的水會溢出。但由于電網(wǎng)如此龐大——就像是海洋——里面的變動通常都無法察覺。只有到問題比較大時我們才會注意得到，因為周圍的電燈都熄滅了。
可再生能源相比燃燒煤炭或者燃?xì)獾陌l(fā)電廠沒有那么可控——如果人們用電需求突然飆漲，你可不能給太陽能發(fā)電站多生火造電。太陽能在白天達(dá)到峰值，期間會因為云層的變化而變化，夜間則會消失。風(fēng)能甚至更不可預(yù)測。如果電網(wǎng)有太多這種間歇性現(xiàn)象，平衡電力供給和需求的難度就會加大，停電事故會變得更加頻繁。
儲能是安全的解決方案。如果你能夠?qū)⒍嘤嗟哪芰看娣旁谀硞€地方，然后在供給再次變少時從那里提取過來，你就能夠用可再生能源給多得多的東西供能，即便天氣并不晴朗，風(fēng)沒有刮起來。此外，電網(wǎng)本身會變得更加穩(wěn)定有效，因為電池可讓各個社區(qū)和地區(qū)自行管理自己的電力供給。我們?nèi)諠u老化且征稅過重的電力基礎(chǔ)設(shè)施會走得更遠(yuǎn)。你可以在非高峰時段獲取電力，將其儲存到電池等到有需要時使用，如此一來，就不必在有輸電線路接近最大傳輸容量的地區(qū)鋪設(shè)新的輸電線路。
通過這種方式，水桶能夠變得更像是海洋。那意味著——至少理論上——發(fā)電量和電力存儲更加分散，可再生能源的使用增多，對于燃燒化石燃料的大型發(fā)電廠的依賴減少。
這就是電池這種東西如此重要的原因。
瘋狂的想法
薩多維在其在麻省理工學(xué)院的辦公室向我表示，“電池之于電力供應(yīng)鏈，好比冰箱之于我們的食物供應(yīng)鏈。”
他給我展示的那些容器是他10年前開始研究的“液態(tài)金屬電池”的早期原型。
“我開始研究電池，只是因為我對汽車非常癡迷。”薩多維說。（他的電腦桌面背景是他幾年前賣掉的一輛老式跑車，他保留那張照片來紀(jì)念那輛車，就像別人紀(jì)念家里的寵物那樣。）2005年，他試駕了福特的一款早期電動車，并深深迷上了它。“那時候我認(rèn)識到，我們之所以還沒有電動汽車，是因為我們沒有合適的電池。”
因此，薩多維開始琢磨打造合適的電池。他曾參與精煉鋁的工作，因而他好奇那可否成為打造另類的新型電池的一個模板。熔煉鋁是一個非常便宜的耗能過程，通過這個過程，煮沸就能得到純凈金屬。但如果那個單向的過程能夠加快，它本身能夠回環(huán)，那也許流入熔態(tài)金屬的大量能量能夠儲存在那里。
在某種程度上，那是瘋狂的想法——熔態(tài)電池的運行溫度必須要達(dá)到880華氏度，差不多接近汽車引擎燃燒室的溫度。但這也可以說是個非常簡單的概念，至少對于電化學(xué)家來說是這樣。原來裝配液態(tài)金屬電池只需要將由兩個不同密度的合金組成的金屬塞放入容器，然后在上面澆注一些鹽。當(dāng)電池通電的時候，兩塊金屬會融化，并自動分成兩層，就像浮在醋上的沙拉油。熔融鹽在二者之間形成一層，來回導(dǎo)電。
但薩多維稱，盡管剛開始充滿希望，但開發(fā)新型技術(shù)是一個極其緩慢的過程。來自ARPA-E和法國石油巨頭Total的早期資助幫助他開始實踐他的想法，但打造全新技術(shù)需要多年的時間，維持長期的研發(fā)工作成本不菲。風(fēng)險投資者們普遍不愿意投資長期的工程項目，畢竟時下有大量的軟件創(chuàng)業(yè)公司可快速給他們帶來回報。
薩多維說道，“在任何資本密集型的產(chǎn)業(yè)中，產(chǎn)業(yè)本身會妨礙技術(shù)創(chuàng)新。”他說，現(xiàn)有的電池公司的投資大都用在維持現(xiàn)有經(jīng)營上，因而不會給行業(yè)的創(chuàng)新帶來多少幫助。他指出，鋰離子電子正是誕生于原有的電池行業(yè)以外；下一代電池也將如此。
熔態(tài)金屬電池早已走出地下實驗室。2010年。薩多維與數(shù)名以前的學(xué)生創(chuàng)立電池公司Ambri，后將公司總部從坎布里奇以西30英里位于莫爾伯勒的一個制造工廠。如今，Ambri有大約40名員工，正忙于用數(shù)百個熔態(tài)金屬電池打造電池組原型。
薩多維表示，Ambri距離部署它的首批商用模型不到一年時間，截至目前一切都向好。在它的制造工廠，部分測試電池已經(jīng)運轉(zhuǎn)了將近四年，但沒有出現(xiàn)任何的耗損跡象。讓包含432個獨立單元的電池組運轉(zhuǎn)則要棘手些。但在通過熱封口解決一些難題后，電池組能夠達(dá)到可持續(xù)的工作溫度，熱度足夠支持它們在不進行任何額外能量輸入的情況下充電和放電現(xiàn)在，Ambri正在進行新一輪的融資，新融資將足夠幫助它進入生產(chǎn)模式。
我在走出辦公室門口時說，盡管出現(xiàn)了種種的困難和推出延遲，但這款電池看上去很接近進入市場了。“我希望如此。”薩多維說。
競爭激烈
熔態(tài)金屬電池并不是唯一的一個登月式電池項目，它也不是競爭中的領(lǐng)先者。其它的一些技術(shù)正在低調(diào)地向前推進，從“鐵流電池”到鋅空氣和鋰空氣電池。
跟薩多維的項目一樣，很多的這些未經(jīng)檢驗的技術(shù)一開始是依靠來自ARPA-E的資助。ARPA-E的羅爾芬說，“這些都是非常初期的高風(fēng)險技術(shù)。因此我們廣撒漁網(wǎng)。”
新一代電池競賽中尤其有希望的一位競爭者是總部位于匹茲堡的Aquion公司，其創(chuàng)始人、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授杰·惠特克（Jay Whitacre）2008年創(chuàng)辦公司，一心要設(shè)計迄今為止最便宜且最可靠的電池。
他們的產(chǎn)品被稱作“鹽水電池”。它看上去更相似一個裝滿海水的樂柏美（Rubbermaid）容器。Aquion電池里面的所有材料都屬于容易獲得的盛產(chǎn)材料，從鹽到不銹鋼，再到棉花。此外，那些材料無一會帶來像鋰離子電池那樣的風(fēng)險。
Aquion產(chǎn)品管理總監(jiān)麥特·馬魯恩（Matt Maroon）表示，“我們所使用的化學(xué)材料非常簡單，我們的電池用料沒有一樣具有易燃性、毒性或者腐蝕性。”
Aquion的電池也非常容易裝配。“我們的主要制造裝配設(shè)備來自食品包裝行業(yè)。”馬魯恩說，“它是一個你可以在納貝斯克公司看到的簡單拾防機器人，可用來將餅干放在泡罩包裝當(dāng)中。”
Aquion電池進入市場已經(jīng)將近3年，家庭和發(fā)電廠規(guī)模的設(shè)施都可以部署。在遍布全球的250處不同地方的部署中，Aquion電池總計儲能35兆瓦時。其中，在夏威夷的一處部署已經(jīng)運行了兩年時間；去年，該由電池和太陽能組成的系統(tǒng)給數(shù)座建筑供能了6個月，完全不用借助柴油發(fā)電機。
“我們需要將更多這樣的產(chǎn)品投入使用。”羅爾芬說道，“現(xiàn)在，如果我是公用事業(yè)部門或者電網(wǎng)運營者，想要購買儲能電池，我會想要買提供20年保修的產(chǎn)品。我們現(xiàn)在討論的這些技術(shù)還沒有達(dá)到那個階段。”
不過，他們正在接近達(dá)到那個階段。ARPA-E資助的另一個項目Energy Storage Systems（簡稱“ESS”）去年11月宣布，作為密蘇里州的一個軍事基地陸軍工程兵部隊微型電網(wǎng)實驗的一部分，它將部署它的其中一種鐵流電池。ESS還部署電池給位于美國加州納帕谷的一個離網(wǎng)有機釀酒廠供能——Aquion也有為該釀酒廠部署電池。隨著越來越多這樣的一次性實驗取得成功——更多這樣的新型電池證明自身的價值——電池供能能源系統(tǒng)的可能性距離成為現(xiàn)實又近了一點。
但電池未來有沒可能變得很酷呢？這是一個更棘手的問題。Aquion的麥特·馬魯恩自2002年從大學(xué)畢業(yè)不久后便一直從事電池行業(yè)。以前參加各種業(yè)界會議，他往往都是最年輕的那一位。當(dāng)初他認(rèn)為自己肯定不會一輩子都干電池這一行。
15年后，他仍在從事電池行業(yè)——但他已經(jīng)不再是會議室中最年輕的那一個了。更多的學(xué)生開始涉足電池行業(yè)，人們也開始注意到該行業(yè)的重要性。“做這一行還是沒有給蘋果供職那么酷，”他說，“但我想人們認(rèn)識到這個行業(yè)的重要性了，這讓它顯得有點酷。”
“或者說我希望是這樣。”他笑道，“我有個9歲大的女兒了。因此我想要做某種她會覺得很酷的東西，那是我的終極目標(biāo)。”
